用示波器测动态磁滞回线磁场测量实验报告.docx

铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线（ 动态磁滞回线实验）磁性材料在科研和工业中有着广泛的应用，种类也相当繁多， 因此各种材料的磁特性测量，是电磁学实验中一个重要内容磁特性测量分为直流磁特性测量和交流磁特性测量本实验用交流正弦电流对磁性材料进行磁化，测得的磁感应强度与磁场强度关系曲线称为动态磁滞回线， 或者称为交流磁滞回线，它与直流磁滞回线是有区别的可以证明： 磁滞回线所包围的面积等于使单位体积磁性材料反复磁化一周时所需的功，并且因功转化为热而表现为损耗测量动态磁滞回线时，材料中不仅有磁滞损耗，还有涡流损耗，因此，同一材料的动态磁滞回线的面积要比静态磁滞回线的面积稍大些 本实验重点学习用示波器显示和测量磁性材料动态磁滞回线和基本磁化曲线的方法，了解软磁材料和硬磁材料交流磁滞回线的区别一．实验目的1. 了解磁性材料的磁滞回线和磁化曲线的概念，加深对铁磁材料的重要物理量矫顽力、剩磁和磁导率的理解2. 用示波器测量软磁材料（软磁铁氧体）的磁滞回线和基本磁化曲线，求该材料的饱和磁感应强度Bm、剩磁Br和矫顽力Hc3. 学习示波器的 X 轴和 Y 轴用于测量交流电压时，各自分度值的校准4. 用示波器显示硬铁磁材料（模具钢 Cr12 ）的交流磁滞回线，并与软磁材料进行比较。

二 . 实验原理（一）铁磁物质的磁滞现象铁磁性物质的磁化过程很复杂，这主要是由于它具有磁性的原因一般都是通过测量磁化场的磁场强度H和磁感应强A 8度B之间关系来研究其磁化规律的如左图所示，当铁磁物质中不存在 磁化场时，H和B均为零，在B H图 中则相当于坐标原点 O随着磁化场 H的增加，B也随之增加，但两者之 间不是线性关系当H增加到一定值 时，B不再增加或增加的十分缓慢，这说明该物质的磁化已达到饱和状态Hm和Bm分别为饱和时的磁场强度和磁感应强度 a寸应于图中a点）如果再使h逐步退到零， 则与此同时B也逐渐减小然而，其轨迹并不沿原曲线 AO,而是沿另一曲线AR下 降到B,，这说明当H下降为零时，铁磁物质中仍保留一定的磁性将磁化场反向， 再逐渐增加其强度，直到H Hm,这时曲线达到A点（即反向饱和点），然后，先使 磁化场退回到H 0;再使正向磁化场逐渐增大，直到饱和值 Hm为止如此就得到 一条与ARA对称的曲线A RA,而自A点出发又回到A点的轨迹为一闭合曲线，称为铁 磁物质的磁滞回线，此属于饱和磁滞回线其中，回线和 H轴的交点Hc和Hc称为 矫顽力，回线与B轴的交点Br和Br ,称为剩余磁感应强度。

二）利用示波器观测铁磁材料动态磁滞回线电路原理图如图2所示将样品制成闭合环状，其上均匀地绕以磁化线圈 Ni及副线圈N2交流电压u加 在磁化线圈上，线路中串联了一取样电阻 Ri,将R两端的电压ui加到示波器的X轴 输入端上副线圈 也与电阻R2和电容C串联成一回路，将电容C两端的电压U2加到 示波器的Y轴输入端，这样的电路，在示波器上可以显示和测量铁磁材料的磁滞回线图2用示波器测动态磁滞回线的电路图1 .磁场强度H的测量设环状样品的平均周长为1,磁化线圈的匝数为Ni,磁化电流为交流正弦波电流 叱由安培回路定律HlNiii,而uiRii,所以可得Ni uiHJ-i1 Ri式中，ui为取样电阻Ri上的电压由公式（1）可知，在已知Ri、1、Ni的情况下，测得ui的值，即可用公式（i）计算磁场强度H的值2 .磁感应强度B的测量设样品的截面积为S,根据电磁感应定律，在匝数为内的副线圈中感生电动势E2为dBE2N2S -dtdB⑵式中，d-为磁感应强度B对时间t的导数dt若副线圈所接回路中的电流为i2 ,且电容C上的电量为Q ,则有QE2R2i2一C在（3）式中，考虑到副线圈匝数不太多，因此自感电动势可忽略不计。

在选定线路参数时,将R2和C都取较大值,使电容C上电压降uC QR2i2,可忽略不计，于是（3）式可写为(4)E2R2i2把电流以詈C詈代入⑷式得E2dueR2c edt(5)把（5）式代入（2）式得SdBducN2sR2c edtdt在将此式两边对时间积分时，由于 B和uc都是交变的，积分常数项为零于是，在不考虑负号（在这里仅仅指相位差）的情况下，磁感应强度(6)R2CueN2S式中，N2、S、R2和C皆为常数，通过测量电容两端电压幅值 uc代入公式（6）,可以求得材料磁感应强度B的值当磁化电流变化一个周期，示波器的光点将描绘出一条完整的磁滞回线，以后每个周期都重复此过程，形成一个稳定的磁滞回线3 . B轴（丫轴）和H轴（X轴）的校准虽然示波器丫轴和X轴上有分度值可读数，但该分度值只是一个参考值，存在一定误 差，且X轴和Y轴增益可微调会改变分度值所以，用数字交流电压表测量正弦信号电压， 并且将正弦波输入X轴或Y轴进行分度值校准是必要的将被测样品（铁氧体）用电阻替代，从Ri上将正弦信号输入X轴，用交流数字电压表测量 Ri两端电压U有效，从而可以计算示波器该档的分度值（单位V/cm）,见图3。

须注意： 1、数字电压表测量交流正弦信号，测得得值为有效值U有效而示波器显示的该正弦信号值为正弦波电压峰-峰值U峰峰两者关系是U峰一峰=242U有效（7）2、用于校准示波器X轴档和丫轴档分度值的波形必须为正弦波，不可用失真波形用上述方法可以对示波器 丫轴和X轴的分度值进行校准实验仪器及装置图3XM校淮电啥动态磁滞回线实验仪由可调正弦信号发生器、交流数字电压表、示波器、待测样品（软磁 铁氧体、硬磁Cr12模具钢）、电阻、电容、导线等组成其外型结构如图 4所示FD-BH-劾态磁滞回线实验仪mV幽交流电压测量□ 00信号输出OK上海复旦天欣科教仪器有限公司FD-BH-2o铁氧体 C图4 动态磁滞回线实验仪外观四.实验内容必做实验（一）观察和测量软磁铁氧体的动态磁滞回线1 .按图2要求接好电路图2 .把示波器光点调至荧光屏中心磁化电流从零开始，逐渐增大磁化电流，直至磁滞回线上的磁感应强度B达到饱和（即H值达到足够高时，曲线有变平坦的趋势，这一状态属饱 和）磁化电流的频率f取50Hz左右示波器的X轴和Y轴分度值调整至适当位置，使磁滞 回线的Bm和Hm值尽可能充满整个荧光屏，且图形为不失真的磁滞回线图形。

3 .记录磁滞回线的顶点Bm和Hm,剩磁Br和矫顽力Hc三个读数值（以长度为单位），在 作图纸上画出软磁铁氧体的近似磁滞回线4 .对X轴和Y轴进行校准计算软磁铁氧体的饱和磁感应强度 Bm和相应的磁场强度H m、剩磁Br和矫顽力Hc 0磁感应强度以T为单位，磁场强度以A/m为单位5 .测量软磁铁氧体的基本磁化曲线 现将磁化电流慢慢从大至小，退磁至零从零开始,由小到大测量不同磁滞回线顶点的读数值Bi和Hi ,用作图纸作铁氧体的基本磁化曲线（B H关系）及磁导率与磁感应强度关系曲线（ H曲线），其中 且 H（二）观测硬磁Cr12模具钢（铭钢）材料的动态磁滞回线1 .将样品换成Cr12模具钢硬磁材料，经退磁后，从零开始电流由小到大增加磁化电流， 直至磁滞回线达到磁感应强度饱和状态磁化电流频率约为f=50Hz左右调节X轴和Y轴分度值使磁滞回线为不失真图形注意硬磁材料交流磁滞回线与软磁材料有明显区别，硬磁 材料在磁场强度较小时，交流磁滞回线为椭圆形回线，而达到饱和时为近似矩形图形，硬磁 材料的直流磁滞回线和交流磁滞回线也有很大区别见参考资料7）2 .对X轴和Y轴进行校准，并记录相应的Bm和Hm ,Br和Hc值，在作图纸上近似画出 硬磁材料在达到饱和状态时的交流磁滞回线。

五.实验数据例（仅供参考）铁氧体基本磁化曲线与磁滞回线的测量测量铁氧体的基本磁化曲线时， 先将样品退磁，然后从零开始不断增大电流，记录各磁 滞回线顶点的B和H值，直至达到饱和注意由于基本磁化曲线各段的斜率并不相同， 一条曲线至少20余个实验数据点，实验结果如表1所示本示波器1div 1.00cm, 估读至1/4小格，即0.05cm）表1软磁铁氧体基本磁化曲线的测量U R1 / cmH/(A/ m)Uc / cmB/ mTU R1 / cmH/(A/ m)Uc / cmB/ mT0.204.10.1015.92.4049.81.903020.408.30.2539.82.6054.01.953100.6012.50.4571.62.8058.12.00318* *0.8016.60.651033.0062.32.053261.0020.80.901433.2066.42.103341.2024.91.051673.4070.62.153421.4029.11.201913.6074.72.153421.6033.21.402233.8078.92.203501.8037.31.552474.0083.02.203502.0041.51.652634.2087.22.203502.2045.71.802874.4091.32.20350并且记录得到矫顽力HC在示波器上显示0.55cm ,剩磁Br在示波器上显示1.00cm,饱和磁感应强度在示波器上显示2.20cm。

根据记录数据可以描画出样品的磁化曲线：LimboH(A/m)铁氧体环状样品，外径1 38.0mm ,内径2 23.0mm ,高 H=10.0mm ,平均周长l ( 1 2)/2 95.810 3m ,磁环截面积S ( i 2) 1h /275 10 6m2 示波器X轴定标:正弦波峰峰值在示波器上读为3.00cm,用交流数字电压表测量 R1两端电压得有效值为21.1 mV,U 峰-峰=2 V2 .U 有效=2 四 X21.1mV=42.2 22 mV o 所以 X 轴灵敏度=42.2^ = 19.89mV 3.00示波器Y轴定标：峰峰值为4.60cm ,用交流数字电压表测量电容两端电压U有效=16.2mV U峰-峰=2 a.U 有效=2 J2 xl6.2mV 所以 Y 轴灵敏度=2a 16.2 =9.96mV 4.60初级线圈和次级线圈匝数相等，即Ni N2 200匝，电阻Ri 2.00 ,R2 51.0 103电容C 4.70 10 6F，所以磁场强度H N1I ”URl l R1200 0.01989395.8 10 3 2.0020.76 UR(A/ m)磁感应强度B悬UC3 651.0 10 4.70 10 0.00996,, 6 UC200 75 100.1534 U c (T) 159.2UC mT根据上面记录数据得到：矫顽力 He 20.76 0.505 11.4A/m剩磁 Br 1.00 159.2。